化工原理理论与实验.docx
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化工原理理论与实验
化工原理课程手册（教学规范）
江苏工业学院化工原理教研室
第一部分：
化工原理理论课课程手册……………………………………………………………1
第二部分：
化工原理设计教学手册………………………………………………………………9
第三部分：
化工原理实验教学手册………………………………………………………………12
第四部分：
化工原理教学参考资料………………………………………………………………15
第一部分：
化工原理理论课课程手册
课程：
化工原理
英文译名：
PrinciplesofChemicalEngineering
课程性质：
技术基础课，必修
适应专业与年级：
化学工程、应化、制药、材化、生化、轻化工和类似专业
开课教研组：
化工原理教研组
学分：
6-7
学时：
96-112
先修课程：
高等数学、物理、物理化学、计算技术
教材：
《化工原理（第二版）》陈敏恒、丛德滋、方图南、齐鸣斋编，化学工业出版社1999
多媒体教学光盘四张
参考书：
丛德滋、丛梅、方图南《化工原理祥解与应用》，化学工业出版社2002
一、本课程的地位、作用和任务：
化工原理课程是化学工程、化工工艺类及相近专业的一门主干课，学生在具备了必要的高等数学、物理、物理化学、计算技术等基础知识之后必修的技术基础课。
化工原理的主要研究内容是以化工生产中的物理加工过程为背景，按其操作原理的共性归纳成的若干“单元操作”。
化工原理属工科科学，用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题。
研究方法主要是理论解析和在理论指导下的实验研究。
本课程强调工程观点、定量运算和设计能力的训练。
强调理论和实际相结合、提高分析问题，解决问题的能力。
二、教学基本要求：
绪论
典型化工产品生产实例；化工单元操作的历史梗概；本课程的性质及要回答的问题。
第一章流体流动
概述流体流动的两种考察方法；流体的作用力和机械能；牛顿粘性定律。
静力学静止流体受力平衡的研究方法；压强和势能的分布；压强的表示方法和单位换算；静力学原理的工程应用。
守恒原理质量守恒；流量，平均流速；流动流体的机械能守恒（柏努利方程）；压头；机械能守恒原理的应用；动量守恒原理及其应用。
流体流动的内部结构层流和湍流的基本特征；定态和稳态的概念；湍流强度和尺度的概念；流动边界层及边界层分离现象；管流数学描述的基本方法；剪应力分布。
流体流动的机械能损失沿程阻力损失（湍流阻力）的研究方法——“黑箱法”；当量的概念（当量直径，当量长度，当量粗糙度）；局部阻力损失。
管路计算管路设计型计算的特点、计算方法（参数的选择和优化，常用流速）；管路操作型计算的特点、计算方法；阻力损失对流动的影响；可压缩流体管路阻力的计算方法；简单的分支管路和汇合管路的计算方法。
流量和流速的测量毕托管、孔板流量计、转子流量计的原理和计算方法。
非牛顿流体的流动非牛顿流体的基本特性；流动阻力计算。
第二章流体输送机械
管路特性被输送流体对输送机械的能量要求；管路特性方程；带泵管路的分析方法——过程分解法。
离心泵泵的输液原理；影响离心泵理论压头的主要因素（流量、密度及气缚现象等）；泵的功率、效率和实际压头；离心泵的工作点和流量调节方法；离心泵的并联和串联；离心泵的安装高度，汽蚀余量；离心泵的选用。
其它泵容积式泵的工作原理、特点和流量调节方法（以往复泵为主）。
气体输送机械气体输送的特点及全风压的概念；气体输送机械的主要特性；风机的选择；压缩机和真空泵的工作原理，获得真空的方法。
第三章液体搅拌
典型的工业搅拌问题；搅拌的目的和方法；搅拌装置，常用搅拌浆的型式，挡板及其它构件；混合效果的度量（均匀性的标准偏差、分割尺度和分割强度）；混合机理；搅拌功率；搅拌器经验放大时需要解决的问题。
其它混合设备介绍。
第四章流体通过颗粒层的流动
固定床当量和平均的方法；颗粒和床层的基本特性；固定床压降的研究方法——数学模型法；影响压降的主要因素。
过滤过滤方法及常用过滤机的构造；过滤过程数学描述（物料衡算和过滤速率方程），过滤速率、推动力和阻力的概念；过滤速率方程的积分应用——间接实验的参数综合法；洗涤时间；过滤机的生产能力；加快过滤速率的途径。
第五章颗粒的沉降和流态化
绕流基础两类流动（内部流动和外部流动）问题；表面曳力和形体曳力；球形颗粒的曳力系数及斯托克斯定律。
自由沉降沉降运动———极限处理方法；沉降速度及其计算；降尘室的流量、沉降面积和粒径的关系；颗粒分级概念；旋风分离器的工作原理及影响性能的主要因素，粒级效率的概念。
流态化流化床的工业应用和典型结构；流化床的主要特性；流化床的操作范围（起始流化速度和带出速度）。
气力输送的实际应用
第六章传热
传热过程加热和冷却方法；传热速率。
热传导傅利叶定律；常用工程材料的导热系数；导热问题分析方法（热量衡算和导热速率式）；一维导热的计算。
对流给热牛顿冷却定律———变量分离法；自然对流的起因和影响因素；管内层流给热、管内强制对流（湍流）给热系数经验式；沸腾给热和沸腾曲线；蒸汽冷凝给热。
辐射单个物体的辐射和吸收特性（StefanBoltzmann定律，Kirchhoff定律）；黑体和灰体；两黑体间的相互辐射；两物体组成封闭系统中的辐射换热计算。
间壁换热过程热量衡算和传热速率式———换热过程的数学描述方法；传热平均温度差，热阻和传热系数———工程处理方法；垢层热阻，壁温计算方法。
传热计算传热设计型问题的参数选择和计算方法；传热操作型问题的讨论和计算方法（传热单元数）；间歇传热过程计算的基本方法。
换热器列管式换热器的设计与选型；常用换热器的结构；换热设备的强化和其它类型。
第七章蒸发
蒸发过程及设备工业蒸发实例；蒸发过程的目的、方法及特点；常用蒸发器的结构；管内气液两相流动型式；二次蒸汽和加热蒸汽的能位差别；沸点升高和传热温度差损失；加热蒸汽的经济性；蒸发设备的生产强度。
单效蒸发的计算物料衡算、热量衡算和传热速率方程。
第八章气体吸收
概述工业吸收过程；气体吸收的目的、原理及实施方法；吸收过程的经济性与吸收剂的选择原则。
气液相平衡亨利定律，温度、总压对平衡的影响；相平衡与吸收过程的关系。
扩散与单相传质分子扩散与费克定律，扩散系数；等分子反向扩散、单向扩散的概念；对流传质与传质分系数；传质与动量、热量传递的类比；对流传质与有效膜模型（双膜理论）。
相际传质相际传质速率方程，传质分系数和总系数的关系；传质推动力与传质系数的关系———传质速率的工程处理方法；溶解度对两相传质阻力分配的影响。
吸收过程数学描述低浓度气体吸收的假定；物料衡算、传质速率———吸收过程数学描述方法；HOG,NOG的分解———变量分离法；计算NOG的对数平均推动力法和吸收因数法；物料衡算及操作线的含义。
吸收过程设计吸收过程设计中参数的选择，指定分离要求下的最小液气比；返混及其对过程的影响。
吸收操作操作型问题的命题和解法，影响吸收结果的操作因素分析。
化学吸收化学反应对吸收相平衡的影响；化学反应对吸收速率的影响，增强因子。
第九章精馏
概述典型工艺过程中的精馏操作，蒸馏操作的目的、原理及实施方法，蒸馏操作的经济性。
双组分溶液的汽液相平衡相律的应用；理想溶液的汽液相平衡及泡、露点计算；相对挥发度；非理想物系的活度系数计算（范拉方程，马古斯方程）；平衡蒸馏与简单蒸馏。
精馏用传质观点分析精馏原理；精馏过程数学描述———元过程法；恒摩尔流的简化假设，理论板和板效率———工程简化处理方法；加料板上的过程分析；控制体物料衡算和操作线方程。
双组分精馏的设计型计算精馏设计型计算的命题；理论板数的逐板计算法；用图解法分析精馏过程的方法；全回流和最少理论板数，最小回流比；加料热状态和回流比的选择；双组分精馏过程的其它类型。
双组分精馏的操作型问题讨论精馏操作型问题的命题；分离能力和物料衡算对精馏操作的制约和调节；灵敏板的概念。
间歇精馏间歇精馏过程的特点及应用场合。
恒沸精馏与萃取精馏的基本概念。
多组分精馏基础流程方案的选择；泡露点计算；关键组分和物料衡算（清晰分割法、全回流近似法）；最小回流比及塔板数捷算法。
第十章气液传质设备
气液传质过程对塔设备的要求。
板式塔板上的气液接触状态；塔内非理想流动及其改善；漏液、液泛及有效操作范围（负荷性能图）；常用塔板型式及其主要特性；筛板塔的计算方法及结构参数的调整；板式塔的效率。
填料塔常用填料及其特性（比表面、空隙率、填料因子等）；气液两相在填料塔内的流动、压降、最小喷淋密度和液泛现象；塔径计算方法；填料塔内的传质（传质系数和HETP）。
第十一章液液萃取
概述液液萃取的工业实例；萃取的目的、原理和实施方法。
相平衡三角形相图；物料衡算与杠杆定律；部分互溶物系的相平衡；分配系数与选择性系数。
萃取过程的计算单级萃取；多级错流萃取；多级逆流萃取的解析计算方法；完全不互溶物系萃取操作的计算。
萃取设备常用萃取设备的工作原理。
超临界萃取和液膜萃取超临界萃取的原理、实施方法及工业实例；液膜萃取的原理、实施方法及应用实例。
第十二章其它传质分离方法
结晶结晶原理；晶习；溶解度曲线；形成过饱和度的方法；结晶速率及影响因素；物料衡算和热量衡算；结晶设备。
吸附吸附原理；常用吸附剂；吸附相平衡；吸附机理及吸附速率；固定床吸附过程分析和床高计算；吸附设备。
膜分离反渗透原理及工业应用；超滤原理及工业应用；电渗析原理及工业应用；气体膜分离原理；膜分离设备。
第十三章热质同时传递的过程
热、质同时传递过程的工业实例；热、质同时传递过程的主要特点；过程的极限———湿球温度与绝热饱和温度。
第十四章固体干燥
概述化工产品干燥实例；固体干燥的目的、原理及实施方法。
干燥静力学湿空气的状态参数及其计算；I-H图及其应用；水分在气固两相间的平衡。
干燥动力学恒定气流条件下物料的干燥速率及临界含水量。
干燥过程计算间歇干燥过程的干燥时间；连续干燥过程的特点，物料衡算，热量衡算及热效率。
常用干燥设备选型原则；常用干燥设备的主要组成部分及特性。
三、授课内容学时分配
（注：
112学时专业对★和☆部分都为课堂讲授内容，※为学生自学或选读内容，96学时专业★——课堂讲授，☆——学生自学，※——学生选读内容）
绪论（★）
第一章流体流动（16学时，包括绪论）
1.1概述
（1）流体的作用力和机械能（★）
（2）牛顿粘性定律 （★）
1.2流体静力学
（1）静止流体受力平衡的研究方法（★）
（2）压强和势能的分布（★）
（3）压强的表示方法和单位换算（★）
（4）静力学原理的工程应用（★）
1.3守恒原理
（1）质量守恒,流量,平均流速（★）
（2）流体流动的机械能守恒（柏努利方程）,压头（★）
（3）机械能守恒原理的应用（★）
1.4流体流动的内部结构
（1）层流和湍流的基本特征（★）
（2）定态和稳态的概念（★）
（3）管流的数学描述的基本方法（★）
（4）剪应力分布（★☆）
1.5液体流动的机械能损失
（1）湍流阻力的研究方法---“黑箱法”（★）
（2）当量的概念（当量直径,当量长度,当量粗糙度）（★）
（3）局部阻力损失（★☆）
1.6管路计算
（1）管路设计型计算的特点（★）
（2）计算方法（参数选择与优化,常用流速）（★）
（3）阻力损失对流动的影响（★☆）
（4）简单的分支管路的计算方法（★☆）
1.7流量和流速的测量
（1）毕托管（★☆）
（2）孔板流量计（★☆）
（3）转子流量计（★☆）
1.8非牛顿流体的基本特性 （☆※）
第二章流体输送机械（4-6学时）
2.1管路特性
（1）被输送流体对输送机械的能量要求（★）
（2）管路特性方程（★）
（3）带泵管路的分析方法----过程分解法（★）
2.2离心泵
（1）泵的输液原理（★）
（2）泵功率,效率和实际压头及其影响因素（★）
（3）离心泵的工作点和流量调节方法（★）
（4）离心泵的选用（★☆）
2.3往复泵及其他泵介绍（☆※）
第三章流体的搅拌（※）（2学时）
第四章流体通过颗粒层流动（5-7学时）
4.1概述（★☆）
4.3固定床压降的研究方法----数学模型法（★）
4.4过滤原理及设备（★☆）
4.5过滤计算
（1）过滤过程的物料概算（★）
（2）过滤速率方程（★）
（3）过滤速率,推动力和阻力的概念（★）
（4）过滤速率方程的积分应用（★）
（5）洗涤时间（★☆）
（6）过滤机的生产能力（★）
（7）加快过滤速率的途径（★☆）
第五章颗粒沉降（4-5学时）
5.1自由沉降
（1）球形颗粒的曳力系数和斯托克斯定律（★）
5.2沉降运动----极限处理方法
沉降速度的计算（★）
5.3沉降设备
（1）沉降室的流量（★）
（2）沉降面积和粒径的关系（★）
（3）颗粒分级的概念（☆）
（4）旋风分离器的工作原理及影响性能的主要因素 （★☆）
5.4固体流态化技术（※）
第六章传热（12-16学时）
6.1传热过程
（1）加热和冷却方法（★）
（2）传热速率（★）
6.2热传导
（1）傅立叶定律（★）
（2）常用工程材料的导热系数（★☆）
（3）导热问题的分析方法（热量衡算和导热速率式） （★）
（4）一维导热计算（★）
6.3对流传热
（1）牛顿冷却定律----变量分离法 （★）
（2）自然对流,强制对流 （★☆）
6.4沸腾给热与冷凝给热 （★☆）
6.5热辐射 （★☆）
6.6间壁换热过程
（1）热量衡算式和传热速率式（★）
（2）换热过程的数学描述方法（★）
（3）传热平均温差,热阻和传热系数----工程处理方法（★）
（4）传热设计型问题的参数选择和计算方法（★）
（5）传热操作性问题的讨论和计算方法（★）
（6）传热单元数法（★☆）
（7）非定态传热过程的拟定态处理（☆）
（8）变系数的传热过程计算（※）
6.7换热器
（1）间壁式换热器的类型（★☆）
（2）管壳式换热器的设计和选用（★☆）
（3）换热器的强化和其他类型（☆※）
第七章蒸发（※）（2学时）
第八章气体吸收（10-14学时）
§8.1概述 （★）
§8.2气液相平衡（★）
§8.3扩散和单相传质（★）
§8.4相际传质（★☆）
§8.5低含量气体吸收
（1）吸收过程的数学描述（★）
（2）传质单元数的计算方法（★）
（3）吸收塔的设计型计算（★）
（4）吸收塔的操作型计算（★）
第九章液体精馏（14学时）
§9.1蒸馏概述
§9.2双组分溶液的气液相平衡
（1）相率的应用（★）
（2）理想溶液的气液相平衡（★）
（3）相对挥发度（★）
（4）非理想物系的平衡相图（☆）
（5）平衡蒸馏与简单蒸馏（★）
§9.4精馏
（1）精馏原理（★）
（2）精馏过程的数学描述（★）
（3）理论班和板效率（★）
（4）加料板上的过程分析（★）
（5）物料衡算和操作线方程（★）
§9.5双组分精馏的设计型计算
（1）理论板数的逐板计算法（★）
（2）图解法分析精馏过程（★）
（3）全回流和最小理论板数,最小回流比（★）
（4）加料热状态和回流比的选择（★）
（5）双组分精馏的其他类型（★☆）
第十章气液传质设备（4学时）
§10.1板式塔
（1）板上汽液接触状态（★）
（2）塔内非理想流动及其改善（★）
（3）漏液,液泛和有效操作范围（★）
（4）常用塔板型式及其特点,全塔效率（★）
§10.2填料塔
（1）常用填料及其特性（★）
（2）气液两相在填料塔中的流动（★☆）
第十一章液液萃取（4-8学时）
§11.1概述（★）
§11.2液液相平衡（★☆）
§11.3萃取过程计算（★☆）
第十二章其他传质分离方法（※）（4-6学时）
§12.1结晶（※）
§12.2吸附分离（※）
§12.3膜分离（※）
第十三章热质同时传质过程（2-3学时）
§13.1热质同时传递过程的工业实例（★）
§13.2热质同时传递过程的主要特点（★☆）
§13.3湿球温度和绝热饱和温度（★）
第十四章固体干燥（6-7学时）
§14.1干燥概述（★）
§14.2干燥静力学
（1）湿空气的状态参数及其计算（★）
（2）湿度图及其应用（★）
（3）水分在气固两相间的平（★）衡
§14.3干燥动力学
（1）物料在定态条件下的干燥速率（★）
（2）间歇干燥的计算（★）
（3）连续干燥过程的计算（★）
（4）干燥过程的物料衡算和热量衡算（★）
（5）干燥的热效率（★）
§14.4干燥器的类型（★☆）
四、外语学习和计算机辅助教学的要求
课程教学中体现外语学习不断线的要求：
课堂教学中，讲课提纲和主要专业名词提倡以外文书写，以增加学生专业外语词汇量。
对多学时化工工程和工艺类专业和试点班学生鼓励采用部分原版教材，将化工原理与专业外语教学结合起来。
在课堂中用中文和英文相交替的方式讲授，指导学生阅读和理解原版教材。
由于阅读和翻译的材料即是教材，提高了学生阅读兴趣和学习积极性，改善了学习效果。
关于计算机辅助教学的要求：
1.化工原理教学要尽量使用多媒体教室，采用多媒体电子教案，使用投影、模型、录像片、CAI软件进行《化工原理》理论教学。
2.在课堂教学中注意引用计算框图讲授设计步骤，以培养学生运用程序设计方法的能力。
3.在上、下册选择传热、吸收和精馏等重点章节的典型习题进行计算机解题训练，如换热器壁温计算、适宜吸收剂用量或适宜回流比的确定、精馏塔逐板计算等，一般上、下册各用10个机时完成两个习题。
第一题可小些，作为“热身”训练用，让学生熟悉化工单元操作的程序设计方法。
第二题可大些，并可与课程设计相联系，作为子程序使用。
五、课程作业、考核和记分
1.本课程作业量大而且贯穿课堂教学的全过程，课内外学时比为1：
2，其中用于完成作业的时间约占70-80%课余学时，每次课后，教师应根据当堂课的内容和要求学生掌握的深度广度布置一定类型和一定量的课外作业，平均每次课外作业量为2-4题。
2.对学生的要求是：
按时完成作业，不得抄袭，要按一定格式书写，应做在装订成册的作业本上。
对于与流程和设备有关的习题，应在作业本上画出流程和设备示意图，对读数精度要求较高的图线应画在正规的方格纸上。
一般每周至少交一次，不得迟交。
3.对教师批改作业的要求是：
每次作业应全部批改，并即使发给学生。
批改是应指明错误之处，并要求学生订正。
在每次批改后应对学生讲解作业中的典型错误，作业应记成绩。
可按五级记分。
4.本课程分两个学期教学，每学期期末按教学计划要求进行考试，一般都以笔试形式进行。
5．考核方式:
教考分离，统一考试，以期末考试成绩作为学生的课程成绩。
第二部分：
化工原理设计教学手册
课程：
化工原理课程设计
英文译名：
PrinciplesofChemicalEngineering
课程性质：
技术基础课，必修
适应专业与年级：
化学工程、应化、制药、材化、生化、轻化工和类似专业
开课教研组：
化工原理教研组
学分：
1-2
学时：
1-2周
先修课程：
化工原理、高等数学、物理、物理化学、计算技术
教材：
《化工原理课程设计》，本院自编
化工原理课程设计CAD课件，本院自编
一、本课程设计的地位、作用和任务：
化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节，是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以某一单元操作为主的一次设计实践。
通过课程设计，应培养学生的独立工作能力，培养学生树立正确的设计思想和实事求是、严肃认真的工作作风。
二、教学基本要求：
通过课程设计应使学生在下列几个方面能力上得到较好的培养和训练：
1．查阅资料，使用有关手册、图表和收集合适的数据及正确选用计算公式的能力；
2．正确选择设计参数，具有从技术上可行和经济上合理两方面分析问题的工程观点和能力；
3．正确、迅速地进行主要设备及某些辅助设备计算的能力；
4．掌握化工设计的基本程序和方法，具有用简洁的文字和适当的图表来表达自己设计思想的能力。
三、教学基本内容：
1．设计方案的选定
对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述；
2．工艺设计
选定工艺参数，物料衡算，热量衡算，单元操作的工艺计算并绘制相应的工艺流程图，标出物流量及主要测量点；
3．设备设计
设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，并绘制设备的工艺条件图。
图面应包括设备的主要工艺尺寸、技术特性和接管表；
4．辅助设备选型
典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备规格、型号的选定；
5．设计说明书的编写
设计说明书的内容应包括：
设计任务书；目录；设计方案简介；工艺计算及主要设备设计；工艺流程图和主要设备的工艺条件图；辅助设备的计算和选型；设计结果汇总；设计评述；参考文献。
6.带控制点的工艺流程图的绘制，塔板布置图的绘制。
四、设计项目及主要内容：
列管换热器的设计
（一）、设计内容
1根据生产任务的要求确定设计方案
（1）换热器类型的选择
（2）换热器内流体流入空间的选择
2化工计算
（1）传热面积的计算
（2）管数、管程数及管子排列，管间距的确定
（3）壳体直径及壳体厚度的确定
3换热器尺寸的确定及有关构件的选择
4换热器流体阻力的计算及其输送机械的选择
5绘制流程图及换热器的装配图
6编写说明书
（二）、设计要求：
1在确定设计方案时既要考虑到工艺，操作的要求又要兼顾经济和安全上的要求。
2在化工计算时要求掌握传热的基本理论，有关公式，要知道查哪些资料，怎样使用算图以及怎样选择经验公式，并进行优化设计。
3要求根据国家有关标准来选择换热器的构件
4要求一部分学生利用计算机来辅助设计及优化设计方案
5要求必须掌握固定管板式或浮头式列管换热器的设计
填料吸收塔的设计
（一）、设计内容
1吸收的汽液平衡关系的确定
2吸收流程的确定
3吸收剂的选择及吸收剂用量的计算
4填料的选择
5塔径和填料层高度的计算
6进行阻力计算及气液输送机械的选型
7塔的辅助装置的选型
（1）喷淋装置
（2）气体分布器
（3）液体分布器
（4）气体进出口装置
（5）填料支承装置
8绘流程图及吸收塔的装配图
9编写设计说明书
（二）、设计要求：
1必须掌握填料塔设计的有关原理、步骤
2必须学会合理地选择填料
3必须校核本设计是否满足填料塔设计的有关设计要求
4必须依据国家有关标准来选择塔的附件如封头、支座等
5要求部分学生利用计算机进行辅助设计
板式精馏塔的设计
（一）、设计内容
1设计方案的确定
（1）操作压力
（2）进料状态
（3）加热方式
（4）热能利用
2.工艺计算
（1）物料衡算
（2）热量衡算
（3）回流比的确定
（4）理论塔板数的确定
3.塔板及
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